手写Express.js源码
上一篇文章我们讲了怎么用Node.js
原生API来写一个web服务器
,虽然代码比较丑,但是基本功能还是有的。但是一般我们不会直接用原生API来写,而是借助框架来做,比如本文要讲的Express
。通过上一篇文章的铺垫,我们可以猜测,Express
其实也没有什么黑魔法,也仅仅是原生API的封装,主要是用来提供更好的扩展性,使用起来更方便,代码更优雅。本文照例会从Express
的基本使用入手,然后自己手写一个Express
来替代他,也就是源码解析。
本文可运行代码已经上传GitHub,拿下来一边玩代码,一边看文章效果更佳:https://github.com/dennis-jiang/Front-End-Knowledges/tree/master/Examples/Node.js/Express
简单示例
使用Express
搭建一个最简单的Hello World
也是几行代码就可以搞定,下面这个例子来源官方文档:
const express = require('express');
const app = express();
const port = 3000;
app.get('/', (req, res) => {
res.send('Hello World!');
});
app.listen(port, () => {
console.log(`Example app listening at http://localhost:${port}`);
});
可以看到Express
的路由可以直接用app.get
这种方法来处理,比我们之前在http.createServer
里面写一堆if
优雅多了。我们用这种方式来改写下上一篇文章的代码:
const path = require("path");
const express = require("express");
const fs = require("fs");
const url = require("url");
const app = express();
const port = 3000;
app.get("/", (req, res) => {
res.end("Hello World");
});
app.get("/api/users", (req, res) => {
const resData = [
{
id: 1,
name: "小明",
age: 18,
},
{
id: 2,
name: "小红",
age: 19,
},
];
res.setHeader("Content-Type", "application/json");
res.end(JSON.stringify(resData));
});
app.post("/api/users", (req, res) => {
let postData = "";
req.on("data", (chunk) => {
postData = postData + chunk;
});
req.on("end", () => {
// 数据传完后往db.txt插入内容
fs.appendFile(path.join(__dirname, "db.txt"), postData, () => {
res.end(postData); // 数据写完后将数据再次返回
});
});
});
app.listen(port, () => {
console.log(`Server is running on http://localhost:${port}/`);
});
Express
还支持中间件,我们写个中间件来打印出每次请求的路径:
app.use((req, res, next) => {
const urlObject = url.parse(req.url);
const { pathname } = urlObject;
console.log(`request path: ${pathname}`);
next();
});
Express
也支持静态资源托管,不过他的API是需要指定一个文件夹来单独存放静态资源的,比如我们新建一个public
文件夹来存放静态资源,使用express.static
中间件配置一下就行:
app.use(express.static(path.join(__dirname, 'public')));
然后就可以拿到静态资源了:
手写源码
手写源码才是本文的重点,前面的不过是铺垫,本文手写的目标就是自己写一个express
来替换前面用到的express api
,其实就是源码解析。在开始之前,我们先来看看用到了哪些API
:
express()
,第一个肯定是express
函数,这个运行后会返回一个app
的实例,后面用的很多方法都是这个app
上的。app.listen
,这个方法类似于原生的server.listen
,用来启动服务器。app.get
,这是处理路由的API,类似的还有app.post
等。app.use
,这是中间件的调用入口,所有中间件都要通过这个方法来调用。express.static
,这个中间件帮助我们做静态资源托管,其实是另外一个库了,叫serve-static,因为跟Express
架构关系不大,本文就先不讲他的源码了。
本文所有手写代码全部参照官方源码写成,方法名和变量名尽量与官方保持一致,大家可以对照着看,写到具体的方法时我也会贴出官方源码的地址。
express()
首先需要写的肯定是express()
,这个方法是一切的开始,他会创建并返回一个app
,这个app
就是我们的web服务器
。
// express.js
var mixin = require('merge-descriptors');
var proto = require('./application');
// 创建web服务器的方法
function createApplication() {
// 这个app方法其实就是传给http.createServer的回调函数
var app = function (req, res) {
};
mixin(app, proto, false);
return app;
}
exports = module.exports = createApplication;
上述代码就是我们在运行express()
的时候执行的代码,其实就是个空壳,返回的app
暂时是个空函数,真正的app
并没在这里,而是在proto
上,从上述代码可以看出proto
其实就是application.js
,然后通过下面这行代码将proto
上的东西都赋值给了app
:
mixin(app, proto, false);
这行代码用到了一个第三方库merge-descriptors
,这个库总共没有几行代码,做的事情也很简单,就是将proto
上面的属性挨个赋值给app
,对merge-descriptors
源码感兴趣的可以看这里:https://github.com/component/merge-descriptors/blob/master/index.js。
Express
这里之所以使用mixin
,而不是普通的面向对象来继承,是因为它除了要mixin proto
外,还需要mixin
其他库,也就是需要多继承,我这里省略了,但是官方源码是有的。
express.js
对应的源码看这里:https://github.com/expressjs/express/blob/master/lib/express.js
app.listen
上面说了,express.js
只是一个空壳,真正的app
在application.js
里面,所以app.listen
也是在这里。
// application.js
var app = exports = module.exports = {};
app.listen = function listen() {
var server = http.createServer(this);
return server.listen.apply(server, arguments);
};
上面代码就是调用原生http
模块创建了一个服务器,但是传的参数是this
,这里的this
是什么呢?回想一下我们使用express
的时候是这样用的:
const app = express();
app.listen(3000);
所以listen
方法的实际调用者是express()
的返回值,也就是上面express.js
里面createApplication
的返回值,也就是这个函数:
var app = function (req, res) {
};
所以这里的this
也是这个函数,所以我在express.js
里面就加了注释,这个函数是http.createServer
的回调函数。现在这个函数是空的,实际上他应该是整个web服务器
的处理入口,所以我们给他加上处理的逻辑,在里面再加一行代码:
var app = function(req, res) {
app.handle(req, res); // 这是真正的服务器处理入口
};
app.handle
app.handle
也是挂载在app
下面的,所以他实际也在application.js
这个文件里面,下面我们来看看他干了什么:
app.handle = function handle(req, res) {
var router = this._router;
// 最终的处理方法
var done = finalhandler(req, res);
// 如果没有定义router
// 直接结束返回
if (!router) {
done();
return;
}
// 有router,就用router来处理
router.handle(req, res, done);
}
上面代码可以看出,实际处理路由的是router
,这是Router
的一个实例,并且挂载在this
上的,我们这里还没有给他赋值,如果没有赋值的话,会直接运行finalhandler
并且结束处理。finalhandler
也是一个第三方库,GitHub链接在这里:https://github.com/pillarjs/finalhandler。这个库的功能也不复杂,就是帮你处理一些收尾的工作,比如所有路由都没匹配上,你可能需要返回404
并记录下error log
,这个库就可以帮你做。
app.get
上面说了,在具体处理网络请求时,实际上是用app._router
来处理的,那么app._router
是在哪里赋值的呢?事实上app._router
的赋值有多个地方,一个地方就是HTTP
动词处理方法上,比如我们用到的app.get
或者app.post
。无论是app.get
还是app.post
都是调用的router
方法来处理,所以可以统一用一个循环来写这一类的方法。
// HTTP动词的方法
var methods = ['get', 'post'];
methods.forEach(function (method) {
app[method] = function (path) {
this.lazyrouter();
var route = this._router.route(path);
route[method].apply(route, Array.prototype.slice.call(arguments, 1));
return this;
}
});
上面代码HTTP
动词都放到了一个数组里面,官方源码中这个数组也是一个第三方库维护的,名字就叫methods
,GitHub地址在这里:https://github.com/jshttp/methods。我这个例子因为只需要两个动词,就简化了,直接用数组了。这段代码其实给app
创建了跟每个动词同名的函数,所有动词的处理函数都是一样的,都是去调router
里面的对应方法来处理。这种将不同部分抽取出来,从而复用共同部分的代码,有点像我之前另一篇文章写过的设计模式----享元模式。
我们注意到上面代码除了调用router
来处理路由外,还有一行代码:
this.lazyrouter();
lazyrouter
方法其实就是我们给this._router
赋值的地方,代码也比较简单,就是检测下有没有_router
,如果没有就给他赋个值,赋的值就是Router
的一个实例:
app.lazyrouter = function lazyrouter() {
if (!this._router) {
this._router = new Router();
}
}
app.listen
,app.handle
和methods
处理方法都在application.js
里面,application.js
源码在这里:https://github.com/expressjs/express/blob/master/lib/application.js
Router
写到这里我们发现我们已经使用了Router
的多个API
,比如:
router.handle
router.route
route[method]
所以我们来看下Router
这个类,下面的代码是从源码中简化出来的:
// router/index.js
var setPrototypeOf = require('setprototypeof');
var proto = module.exports = function () {
function router(req, res, next) {
router.handle(req, res, next);
}
setPrototypeOf(router, proto);
return router;
}
这段代码对我来说是比较奇怪的,我们在执行new Router()
的时候其实执行的是new proto()
,new proto()
并不是我奇怪的地方,奇怪的是他设置原型的方式。我之前在讲JS的面向对象的文章提到过如果你要给一个类加上类方法可以这样写:
function Class() {}
Class.prototype.method1 = function() {}
var instance = new Class();
这样instance.__proto__
就会指向Class.prototype
,你就可使用instance.method1
了。
Express.js
的上述代码其实也是实现了类似的效果,setprototypeof
又是一个第三方库,作用类似Object.setPrototypeOf(obj, prototype)
,就是给一个对象设置原型,setprototypeof
存在的意义就是兼容老标准的JS,也就是加了一些polyfill
,他的代码在这里。所以:
setPrototypeOf(router, proto);
这行代码的意思就是让router.__proto__
指向proto
,router
是你在new proto()
时的返回对象,执行了上面这行代码,这个router
就可以拿到proto
上的全部方法了。像router.handle
这种方法就可以挂载到proto
上了,成为proto.handle
。
绕了一大圈,其实就是JS面向对象的使用,给router
添加类方法,但是为什么使用这么绕的方式,而不是像我上面那个Class
那样用呢?这我就不是很清楚了,可能有什么历史原因吧。
路由架构
Router
的基本结构知道了,要理解Router
的具体代码,我们还需要对Express
的路由架构有一个整体的认识。就以我们这两个示例API来说:
get /api/users
post /api/users
我们发现他们的path
是一样的,都是/api/users
,但是他们的请求方法,也就是method
不一样。Express
里面将path
这一层提取出来作为了一个类,叫做Layer
。但是对于一个Layer
,我们只知道他的path
,不知道method
的话,是不能确定一个路由的,所以Layer
上还添加了一个属性route
,这个route
上也存了一个数组,数组的每个项存了对应的method
和回调函数handle
。整个结构你可以理解成这个样子:
const router = {
stack: [
// 里面很多layer
{
path: '/api/users'
route: {
stack: [
// 里面存了多个method和回调函数
{
method: 'get',
handle: function1
},
{
method: 'post',
handle: function2
}
]
}
}
]
}
知道了这个结构我们可以猜到,整个流程可以分成两部分:注册路由和匹配路由。当我们写app.get
和app.post
这些方法时,其实就是在router
上添加layer
和route
。当一个网络请求过来时,其实就是遍历layer
和route
,找到对应的handle
拿出来执行。
注意route
数组里面的结构,每个项按理来说应该使用一种新的数据结构来存储,比如routeItem
之类的。但是Express
并没有这样做,而是将它和layer
合在一起了,给layer
添加了method
和handle
属性。这在初次看源码的时候可能造成困惑,因为layer
同时存在于router
的stack
上和route
的stack上
,肩负了两种职责。
router.route
这个方法是我们前面注册路由的时候调用的一个方法,回顾下前面的注册路由的方法,比如app.get
:
app.get = function (path) {
this.lazyrouter();
var route = this._router.route(path);
route.get.apply(route, Array.prototype.slice.call(arguments, 1));
return this;
}
结合上面讲的路由架构,我们在注册路由的时候,应该给router
添加对应的layer
和route
,router.route
的代码就不难写出了:
proto.route = function route(path) {
var route = new Route();
var layer = new Layer(path, route.dispatch.bind(route)); // 参数是path和回调函数
layer.route = route;
this.stack.push(layer);
return route;
}
Layer和Route构造函数
上面代码新建了Route
和Layer
实例,这两个类的构造函数其实也挺简单的。只是参数的申明和初始化:
// layer.js
module.exports = Layer;
function Layer(path, fn) {
this.path = path;
this.handle = fn;
this.method = '';
}
// route.js
module.exports = Route;
function Route() {
this.stack = [];
this.methods = {}; // 一个加快查找的hash表
}
route.get
前面我们看到了app.get
其实通过下面这行代码,最终调用的是route.get
:
route.get.apply(route, Array.prototype.slice.call(arguments, 1));
也知道了route.get
这种动词处理函数,其实就是往route.stack
上添加layer
,那我们的route.get
也可以写出来了:
var methods = ["get", "post"];
methods.forEach(function (method) {
Route.prototype[method] = function () {
// 支持传入多个回调函数
var handles = flatten(slice.call(arguments));
// 为每个回调新建一个layer,并加到stack上
for (var i = 0; i < handles.length; i++) {
var handle = handles[i];
// 每个handle都应该是个函数
if (typeof handle !== "function") {
var type = toString.call(handle);
var msg =
"Route." +
method +
"() requires a callback function but got a " +
type;
throw new Error(msg);
}
// 注意这里的层级是layer.route.layer
// 前面第一个layer已经做个path的比较了,所以这里是第二个layer,path可以直接设置为/
var layer = new Layer("/", handle);
layer.method = method;
this.methods[method] = true; // 将methods对应的method设置为true,用于后面的快速查找
this.stack.push(layer);
}
};
});
这样,其实整个router
的结构就构建出来了,后面就看看怎么用这个结构来处理请求了,也就是router.handle
方法。
router.handle
前面说了app.handle
实际上是调用的router.handle
,也知道了router
的结构是在stack
上添加了layer
和router
,所以router.handle
需要做的就是从router.stack
上找出对应的layer
和router
并执行回调函数:
// 真正处理路由的函数
proto.handle = function handle(req, res, done) {
var self = this;
var idx = 0;
var stack = self.stack;
// next方法来查找对应的layer和回调函数
next();
function next() {
// 使用第三方库parseUrl获取path,如果没有path,直接返回
var path = parseUrl(req).pathname;
if (path == null) {
return done();
}
var layer;
var match;
var route;
while (match !== true && idx < stack.length) {
layer = stack[idx++]; // 注意这里先执行 layer = stack[idx]; 再执行idx++;
match = layer.match(path); // 调用layer.match来检测当前路径是否匹配
route = layer.route;
// 没匹配上,跳出当次循环
if (match !== true) {
continue;
}
// layer匹配上了,但是没有route,也跳出当次循环
if (!route) {
continue;
}
// 匹配上了,看看route上有没有对应的method
var method = req.method;
var has_method = route._handles_method(method);
// 如果没有对应的method,其实也是没匹配上,跳出当次循环
if (!has_method) {
match = false;
continue;
}
}
// 循环完了还没有匹配的,就done了,其实就是404
if (match !== true) {
return done();
}
// 如果匹配上了,就执行对应的回调函数
return layer.handle_request(req, res, next);
}
};
上面代码还用到了几个Layer
和Route
的实例方法:
layer.match(path): 检测当前
layer
的path
是否匹配。route._handles_method(method):检测当前
route
的method
是否匹配。layer.handle_request(req, res, next):使用
layer
的回调函数来处理请求。
这几个方法看起来并不复杂,我们后面一个一个来实现。
到这里其实还有个疑问。从他整个的匹配流程来看,他寻找的其实是router.stack.layer
这一层,但是最终应该执行的回调却是在router.stack.layer.route.stack.layer.handle
。这是怎么通过router.stack.layer
找到最终的router.stack.layer.route.stack.layer.handle
来执行的呢?
这要回到我们前面的router.route
方法:
proto.route = function route(path) {
var route = new Route();
var layer = new Layer(path, route.dispatch.bind(route));
layer.route = route;
this.stack.push(layer);
return route;
}
这里我们new Layer
的时候给的回调其实是route.dispatch.bind(route)
,这个方法会再去route.stack
上找到正确的layer
来执行。所以router.handle
真正的流程其实是:
- 找到
path
匹配的layer
- 拿出
layer
上的route
,看看有没有匹配的method
layer
和method
都有匹配的,再调用route.dispatch
去找出真正的回调函数来执行。
所以又多了一个需要实现的函数,route.dispatch
。
layer.match
layer.match
是用来检测当前path
是否匹配的函数,用到了一个第三方库path-to-regexp
,这个库可以将path
转为正则表达式,方便后面的匹配,这个库在之前写过的react-router
源码中也出现过。
var pathRegexp = require("path-to-regexp");
module.exports = Layer;
function Layer(path, fn) {
this.path = path;
this.handle = fn;
this.method = "";
// 添加一个匹配正则
this.regexp = pathRegexp(path);
// 快速匹配/
this.regexp.fast_slash = path === "/";
}
然后就可以添加match
实例方法了:
Layer.prototype.match = function match(path) {
var match;
if (path != null) {
if (this.regexp.fast_slash) {
return true;
}
match = this.regexp.exec(path);
}
// 没匹配上,返回false
if (!match) {
return false;
}
// 不然返回true
return true;
};
layer.handle_request
layer.handle_request
是用来调用具体的回调函数的方法,其实就是拿出layer.handle
来执行:
Layer.prototype.handle_request = function handle(req, res, next) {
var fn = this.handle;
fn(req, res, next);
};
route._handles_method
route._handles_method
就是检测当前route
是否包含需要的method
,因为之前添加了一个methods
对象,可以用它来进行快速查找:
Route.prototype._handles_method = function _handles_method(method) {
var name = method.toLowerCase();
return Boolean(this.methods[name]);
};
route.dispatch
route.dispatch
其实是router.stack.layer
的回调函数,作用是找到对应的router.stack.layer.route.stack.layer.handle
并执行。
Route.prototype.dispatch = function dispatch(req, res, done) {
var idx = 0;
var stack = this.stack; // 注意这个stack是route.stack
// 如果stack为空,直接done
// 这里的done其实是router.stack.layer的next
// 也就是执行下一个router.stack.layer
if (stack.length === 0) {
return done();
}
var method = req.method.toLowerCase();
// 这个next方法其实是在router.stack.layer.route.stack上寻找method匹配的layer
// 找到了就执行layer的回调函数
next();
function next() {
var layer = stack[idx++];
if (!layer) {
return done();
}
if (layer.method && layer.method !== method) {
return next();
}
layer.handle_request(req, res, next);
}
};
到这里其实Express
整体的路由结构,注册和执行流程都完成了,贴下对应的官方源码:
Router类:https://github.com/expressjs/express/blob/master/lib/router/index.js
Layer类:https://github.com/expressjs/express/blob/master/lib/router/layer.js
Route类:https://github.com/expressjs/express/blob/master/lib/router/route.js
中间件
其实我们前面已经隐含了中间件,从前面的结构可以看出,一个网络请求过来,会到router
的第一个layer
,然后调用next
到到第二个layer
,匹配上layer
的path
就执行回调,然后一直这样把所有的layer
都走完。所以中间件是啥?中间件就是一个layer
,他的path
默认是/
,也就是对所有请求都生效。按照这个思路,代码就简单了:
// application.js
// app.use就是调用router.use
app.use = function use(fn) {
var path = "/";
this.lazyrouter();
var router = this._router;
router.use(path, fn);
};
然后在router.use
里面再加一层layer
就行了:
proto.use = function use(path, fn) {
var layer = new Layer(path, fn);
this.stack.push(layer);
};
总结
Express
也是用原生APIhttp.createServer
来实现的。Express
的主要工作是将http.createServer
的回调函数拆出来了,构建了一个路由结构Router
。- 这个路由结构由很多层
layer
组成。 - 一个中间件就是一个
layer
。 - 路由也是一个
layer
,layer
上有一个path
属性来表示他可以处理的API路径。 path
可能有不同的method
,每个method
对应layer.route
上的一个layer
。layer.route
上的layer
虽然名字和router
上的layer
一样,但是功能侧重点并不一样,这也是源码中让人困惑的一个点。layer.route
上的layer
的主要参数是method
和handle
,如果method
匹配了,就执行对应的handle
。- 整个路由匹配过程其实就是遍历
router.layer
的一个过程。 - 每个请求来了都会遍历一遍所有的
layer
,匹配上就执行回调,一个请求可能会匹配上多个layer
。 - 总体来看,
Express
代码给人的感觉并不是很完美,特别是Layer
类肩负两种职责,跟软件工程强调的单一职责
原则不符,这也导致Router
,Layer
,Route
三个类的调用关系有点混乱。而且对于继承和原型的使用都是很老的方式。可能也是这种不完美催生了Koa
的诞生,下一篇文章我们就来看看Koa
的源码吧。 Express
其实还对原生的req
和res
进行了扩展,让他们变得更好用,但是这个其实只相当于一个语法糖,对整体架构没有太大影响,所以本文就没涉及了。
本文可运行代码已经上传GitHub,拿下来一边玩代码,一边看文章效果更佳:https://github.com/dennis-jiang/Front-End-Knowledges/tree/master/Examples/Node.js/Express
参考资料
Express官方文档:http://expressjs.com/
Express官方源码:https://github.com/expressjs/express/tree/master/lib
文章的最后,感谢你花费宝贵的时间阅读本文,如果本文给了你一点点帮助或者启发,请不要吝啬你的赞和GitHub小星星,你的支持是作者持续创作的动力。
作者博文GitHub项目地址: https://github.com/dennis-jiang/Front-End-Knowledges
作者掘金文章汇总:https://juejin.im/post/5e3ffc85518825494e2772fd
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